ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付け:PCB アセンブリの包括的な比較

現代のエレクトロニクスは軽量化、効率の向上、高速化を採用しており、プリント基板 (PCB) アセンブリを含む製造プロセスの各リンクもこの哲学に準拠しています。電気接続は正確なはんだ付けから得られるため、はんだ付けは電子製品の成功を決定する上で重要な役割を果たしてきました。自動はんだ付けは、手はんだ付けに比べて高精度・高速なメリットがあり、大量生産と高いコストパフォーマンスの要求から広く選ばれています。アセンブリ用の主要なはんだ付け技術として、ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付けは、高品質のアセンブリに最も広く適用されています。しかし、2 つのテクノロジーの違いにより多くの人が混乱し続けており、それぞれをいつ使用するべきなのかも曖昧です。

図 1. はんだ付け、溶接、ろう付けの違い。

ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付けを正式に比較する前に、はんだ付け、溶接、ろう付けの違いを理解することが非常に重要です (図 1)。簡単に言えば、溶接とは、2 つの類似した金属を溶かして結合するプロセスを指します。ろう付けとは、フィラーまたは合金を高温で加熱して溶かすことによって 2 つの金属を接合するプロセスを指します。はんだ付けは実際には低温ろう付けであり、その充填剤ははんだと呼ばれます。

プリント基板の組み立てでは、はんだペーストを介してはんだ付けが行われます。鉛や水銀などの有害物質を含むはんだペーストを使用したはんだ付けを鉛はんだといい、有害物質を含まないはんだペーストを使用したはんだ付けを鉛フリーはんだといいます。鉛または鉛フリーはんだ付けは、組み立てられた PCB が機能するように設計されている製品の特定の要求に応じて選択する必要があります。

ウェーブはんだ付け

その名前が示すように、ウェーブはんだ付けは、モーターの撹拌の結果として形成される液体の「波」を通じて PCB と部品を結合するために使用されます。この液体は実際には錫を溶かしたものです。これはウェーブはんだ付け機で実行されます (図 2)。

ウェーブはんだ付けプロセスは、フラックスのスプレー、予熱、ウェーブはんだ付け、冷却の 4 つのステップで構成されます。

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フラックスのスプレー。 金属表面の清浄度は、はんだ付け性を確保するための基本要素であり、はんだ付けフラックスの働きに依存します。はんだ付けをスムーズに行うためには、はんだフラックスが重要な役割を果たします。はんだフラックスの主な機能には、基板やコンポーネントのピンの金属表面から酸化物を除去することが含まれます。熱プロセス中の二次酸化から回路基板を保護します。はんだペーストの表面張力を下げる。

予熱。 ベルトコンベアに似たチェーンに沿ったパレット内で、回路基板がヒート トンネルを通過して予熱が行われ、フラックスが活性化されます。

ウェーブはんだ付け。 温度が常に上昇すると、はんだペーストは液体になり、その上を伝わるエッジボードから波が形成されます。コンポーネントを基板上に強固に接着できます。

冷却。 ウェーブはんだ付けプロファイルは温度曲線に準拠しています。ウェーブはんだ付け段階で温度がピークに達すると、温度が低下します。これを冷却ゾーンと呼びます。室温まで冷却すると、ボードは正常に組み立てられます。

図 2. ウェーブはんだ付け機のサンプル。

回路基板はパレット上に置かれ、ウェーブはんだ付けの準備が整うため、時間と温度ははんだ付けのパフォーマンスに密接に関係します。時間と温度に関する限り、プロ仕様のウェーブはんだ付け機が必要ですが、PCB 組立業者の専門知識と経験は、最新の技術の適用とビジネスの焦点に依存しているため、簡単には得られません。

設定温度が低すぎるとフラックスが適切に溶けず、金属表面の酸化物や汚れを反応させて溶解する能力が低下します。また、温度が十分高くないとフラックスとメタルによる合金は生成しません。バンドキャリアの速度、波の接触時間などの他の要素を考慮する必要があります。

一般に、同じウェーブはんだ付け装置を使用しても、組み立て業者が異なれば、操作方法や機械の操作方法に関する知識の程度により、製造効率が異なります。

リフローはんだ付け

リフローはんだ付けでは、熱風またはその他の熱放射伝導によって溶けるはんだペーストを使用して、最初に回路基板上のパッドに一時的に貼り付けられたコンポーネントを永久に接着します。リフローはんだ付けは、リフローはんだ付け炉と呼ばれる装置で実行されます（図3）。その定義が示すように、電気コンポーネントは、はんだペーストを使用してはんだ付けする前に、接触パッドに一時的に取り付けられます。

このプロセスには主に 2 つのステップが含まれます。まず、はんだペーストは、はんだペーストステンシルを通して各パッド上に正確に配置されます。次に、コンポーネントはピックアンドプレース機によってパッド上に配置されます。これらの準備が完了するまで、実際のリフローはんだ付けは開始されません。

• 予熱。 このステップは、リフローはんだ付け中に 2 つの目的を果たします。まず、熱プロファイリングに完全に準拠するために必要な温度に一貫して到達するように基板を組み立てることができます。第二に、はんだペーストに含まれる揮発性溶剤を排出する役割があります。そうしないと、はんだ付けの品質が損なわれます。

• サーマルソーク。 ウェーブはんだ付けと同様に、リフローはんだ付けもはんだペーストに含まれるフラックスに依存します。したがって、温度はフラックスが活性化できるレベルに達する必要があり、そうしないとフラックスははんだ付けプロセスでその役割を果たせなくなります。

• リフローはんだ付け。 この段階は、ピーク温度に達すると発生し、はんだペーストが溶融してリフローできるようになります。温度制御はリフローはんだ付けプロセスにおいて重要な役割を果たします。温度が低すぎると、はんだペーストが十分にリフローできなくなります。温度が高すぎると、表面実装技術 (SMT) コンポーネントまたはボードに損傷を与える可能性があります。たとえば、ボール グリッド アレイ (BGA) パッケージには、リフローはんだ付け中に溶ける複数のはんだボールが含まれています。はんだ付け温度が最適なレベルに達していない場合、ボールが不均一に溶けて、再作業により BGA はんだ付けに問題が生じる可能性があります。

• 冷却。 最高温度に達してもすぐに温度は下がります。冷却するとはんだペーストが固まり、部品がボード上の接触パッドに永久に固定されます。

図 3. リフローはんだ付けはリフローはんだ付けオーブンで実行されます。

リフローはんだ付けは SMT アセンブリとスルーホール技術 (THT) アセンブリの両方に適用できますが、主に前者で使用されます。 THT アセンブリへのリフローはんだ付けの適用に関しては、通常、ピンインペースト (PIP) が利用されます。まず、基板の穴に半田ペーストを充填します。次に、コンポーネントのピンを穴に差し込み、はんだペーストが基板の反対側に出てきます。最後にリフローはんだ付けを実施してはんだ付けを完了します。

ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付け

ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付けの違いは、多くのユーザーが PCB アセンブリ サービスを購入する際にどちらを選択すればよいかわからないため、決して無視できません。はんだ付けに関する変更は、アセンブリ製造プロセス全体に変化をもたらす傾向があります。これらの変化には、製造効率、コスト、市場投入までの時間、利益などが含まれます。

図 4 は、はんだ付けプロセスの各ステップの違いを示しています。ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付けの本質的な違いは、フラックスのスプレーにあります。ウェーブはんだ付けにはこのステップが含まれますが、リフローはんだ付けには含まれません。フラックスは、はんだ付けされる材料の二酸化物を除去し、表面張力を下げることができます。フラックスは活性化された場合にのみ機能するため、温度と時間の管理を厳密に遵守する必要があります。リフローはんだ付けでははんだペーストにフラックスが含まれるため、フラックス含有量を適切に調整して達成する必要があります。

図 4. ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付けのプロセス手順の違い。

はんだ付け不良は避けられないようです。プロセスは毎回異なるため、どのはんだ付け技術が他のはんだ付け技術よりも多くの欠陥を発生させるかを判断することは不可能です。はんだ付け不良の発生は避けられませんが、組立業者が専門的な組立製造規則に準拠し、製造ラインに沿ったすべての機器の特性と性能を十分に認識していれば、その頻度を減らすことができます。さらに、最新テクノロジーの進歩に対応するために、エンジニアリング スタッフは資格を取得し、定期的にトレーニングを受ける必要があります。

一般に、リフローはんだ付けは SMT アセンブリに最適に機能し、ウェーブはんだ付けは THT または DIP アセンブリに最適に機能します。それにもかかわらず、回路基板に純粋な SMD (表面実装デバイス) やスルーホール コンポーネントが含まれることはほとんどありません。混合アセンブリの場合、リフローはんだ付けに必要な温度はウェーブはんだ付けに必要な温度よりもはるかに高いため、通常は最初に SMT が実行され、次に THT または DIP が実行されます。 2 つのアセンブリの順序が逆になると、固体のはんだペーストが再び溶けて、うまくはんだ付けされたコンポーネントに欠陥が生じたり、基板から落ちたりする可能性があります。

この記事は、中国杭州の PCBCart のテクニカル エンジニアである Dora Yang によって書かれました。詳細については、ここをクリックしてください。